134 工程科学学报，第43卷，第1期 F=(UPiA）n-UPaA） (1)管道内气液两相流流动伴随着强烈的压 力、持液率和动量通量波动.在直管中，管道作用 (品人eav+人caa 15) 力的产生原因是液塞经过引起的湍流噪声和压力 波动：而在弯头处，动量通量的改变被认为是引起 其中，P为当地压力，Pa 流激力的最主要原因，但由于气液两相流动的复 实际上，当地液塞加速引起的冲击力对流激 杂性，管道内压力波动、液塞的局部加速对弯头产 力同样有贡献，因此在受力方程中可以增加当地 生的脉动冲击、起伏不定的液波等因素同样会对 加速项Frs-2 流激力的产生做出贡献 FIF=PgagA 2Po Lg (2)对流激力的研究重点关注两个特征值： (16) Pg Ls Fm和6.当B一定时，随j的增大，6近似线性增 其中，Pe为段塞流液膜区的平均密度，m3s;ae为 大，Fms与j最适宜的曲线形式为y=Cx“,a的实验 含气率；L。和L。分别为液塞区和液膜的长度，m: 拟合值介于1.03~1.48之间：在水平管和竖直管 Po为大气压力，Pa 中，段塞流/环状流流型下的Fms和6值最大，分层 3.3CFD数值模拟 流和气泡流流型下的6和F均较小，接近于零； 近年来，CFD数值模拟软件逐渐受到关 不同管道结构中，流激力产生机理一致，受力值相 注山，8，对于复杂管系，工程上常用CFD模拟软 差不大 件对气液流动和流激力进行计算山，8-，该方法既 (3)对流激力计算手段的研究主要包括：经验 能够预测管道内气液流动状况，对流激力进行计 模型、理论计算模型和C℉D数值模型.关于流激 算，同时允许对高气液入口速度的工况进行准确 力经验模型和理论模型的建立逐渐完善，C℉D软 计算叮在C℉D计算过程中，通常对流体流场和固 件能够同时对流场和流激力大小进行模拟计算，优 体结构分别计算，然后通过数据交换，实现流体流 势明显，在计算手段方面是未来重要的发展方向. 动与管道受力的耦合运算.Xingl4o]使用STAR-OLGA 4.2展望 模型对弯头处的流激力进行模拟计算，即首先使 (1)在发生机理方面，以科学全面的气液两相 用OLGA计算气液两相流流动参数，而后导入 流流型分类为基础，针对不同流型展开流激力发 STAR-CCM+软件进行耦合运算.Pontaza等[s8对 生机理研究，建立完整的流激力发生机理的理论 海底复杂管系展开模拟计算，指出C℉D模拟能够 体系，是该方面的重点研究方向 有效预测流激力及管道易疲劳损失点，对生产具 (2)目前研究针对的管道大多是单独的水平 有重要意义. 管或立管管道，随着深海油气的开发，集输-立管 综合以上模型研究可以看出，关于流激力经 管道系统的应用日益增多，开展多种立管管道系 验模型和理论模型的建立逐渐完善，C℉D软件能 统中流激力的研究将具有重要工程意义 够同时对流场和流激力大小进行模拟计算，优势 (3)C℉D计算软件优势明显，目前研究重点为 明显，在计算手段方面是未来重要的发展方向.然 计算结果的直接分析，而对计算结果的准确性及 而，学者们多将重点放在对计算结果的展示和分 最优计算方法缺乏相关研究，今后加强此方面研 析上，并未对计算结果的准确性进行研究，同时也 究将具有重要科研价值 未对比优选有效的CFD计算模拟方法，今后加强 此方面的研究将具有重要科研价值， 参考文献 4结论与展望 [1]Karim H,Ancian L.Experimental analysis of discontinuities in single phase flow-vibration and pressure fuctuation measurements 4.1结论 II SPE/LATMI Asia Pacific Oil Gas Conference and Exhibition 管道内气液两相流广泛存在于核工业、化工 Jakarta,2017:SPE-186336-MS [2] 业以及石油运输等多个领域中，当流体流经阀门、 Ortiz-Vidal L E,Mureithi N W,Rodriguez O M H.Vibration 弯头、三通等部件时，极易对管道产生流激力，产 response of a pipe subjected to two-phase flow:analytical formulations and experiments.Nucl Eng Des,2017,313:214 生安全威胁，因此开展对流激力的研究，对管道的 [3] Hara F.Two-phase-flow-induced vibrations in a horizontal pulping 安全设计和运行具有重要意义，本文共得到以下 system.Bull JSME,1977,20(142):419 结论： [4]Cargnelutti M F,Belfroid S P C.Schiferli W.Two-phase flow-F = ([(w PdA ) in − (w PdA ) out ] − ( ∂ ∂t w VC usρdV + w SC usρusdA ) （15） 其中，P 为当地压力，Pa. 实际上，当地液塞加速引起的冲击力对流激 力同样有贡献，因此在受力方程中可以增加当地 加速项 FIF [25−26] ： FIF = ρgagA √ 2P0 ρg Lg Ls （16） 其中，ρg 为段塞流液膜区的平均密度，m 3 ·s−1 ；αg 为 含气率；Ls 和 Lg 分别为液塞区和液膜的长度，m； P0 为大气压力，Pa. 3.3    CFD 数值模拟 近 年 来 ， CFD 数 值 模 拟 软 件 逐 渐 受 到 关 注[11, 58−61] ，对于复杂管系，工程上常用 CFD 模拟软 件对气液流动和流激力进行计算[11, 58−59] ，该方法既 能够预测管道内气液流动状况，对流激力进行计 算，同时允许对高气液入口速度的工况进行准确 计算[7] . 在 CFD 计算过程中，通常对流体流场和固 体结构分别计算，然后通过数据交换，实现流体流 动与管道受力的耦合运算. Xing[40] 使用STAR–OLGA 模型对弯头处的流激力进行模拟计算，即首先使 用 OLGA 计算气液两相流流动参数 ，而后导 入 STAR–CCM+软件进行耦合运算. Pontaza 等[58] 对 海底复杂管系展开模拟计算，指出 CFD 模拟能够 有效预测流激力及管道易疲劳损失点，对生产具 有重要意义. 综合以上模型研究可以看出，关于流激力经 验模型和理论模型的建立逐渐完善，CFD 软件能 够同时对流场和流激力大小进行模拟计算，优势 明显，在计算手段方面是未来重要的发展方向. 然 而，学者们多将重点放在对计算结果的展示和分 析上，并未对计算结果的准确性进行研究，同时也 未对比优选有效的 CFD 计算模拟方法，今后加强 此方面的研究将具有重要科研价值. 4    结论与展望 4.1    结论 管道内气液两相流广泛存在于核工业、化工 业以及石油运输等多个领域中，当流体流经阀门、 弯头、三通等部件时，极易对管道产生流激力，产 生安全威胁，因此开展对流激力的研究，对管道的 安全设计和运行具有重要意义，本文共得到以下 结论： （1）管道内气液两相流流动伴随着强烈的压 力、持液率和动量通量波动. 在直管中，管道作用 力的产生原因是液塞经过引起的湍流噪声和压力 波动；而在弯头处，动量通量的改变被认为是引起 流激力的最主要原因，但由于气液两相流动的复 杂性，管道内压力波动、液塞的局部加速对弯头产 生的脉动冲击、起伏不定的液波等因素同样会对 流激力的产生做出贡献. （ 2）对流激力的研究重点关注两个特征值： F rms 和 f0 . 当 β 一定时，随 j 的增大，f0 近似线性增 大，F rms 与 j 最适宜的曲线形式为 y=Cxα ，α 的实验 拟合值介于 1.03～1.48 之间；在水平管和竖直管 中，段塞流/环状流流型下的 F rms 和 f0 值最大，分层 流和气泡流流型下的 f0 和 F rms 均较小，接近于零； 不同管道结构中，流激力产生机理一致，受力值相 差不大. （3）对流激力计算手段的研究主要包括：经验 模型、理论计算模型和 CFD 数值模型. 关于流激 力经验模型和理论模型的建立逐渐完善，CFD 软 件能够同时对流场和流激力大小进行模拟计算，优 势明显，在计算手段方面是未来重要的发展方向. 4.2    展望 （1）在发生机理方面，以科学全面的气液两相 流流型分类为基础，针对不同流型展开流激力发 生机理研究，建立完整的流激力发生机理的理论 体系，是该方面的重点研究方向. （2）目前研究针对的管道大多是单独的水平 管或立管管道，随着深海油气的开发，集输–立管 管道系统的应用日益增多，开展多种立管管道系 统中流激力的研究将具有重要工程意义. （3）CFD 计算软件优势明显，目前研究重点为 计算结果的直接分析，而对计算结果的准确性及 最优计算方法缺乏相关研究，今后加强此方面研 究将具有重要科研价值. 参    考    文    献 Karim  H,  Ancian  L.  Experimental  analysis  of  discontinuities  in single phase flow-vibration and pressure fluctuation measurements // SPE/IATMI Asia Pacific Oil & Gas Conference and Exhibition. Jakarta, 2017: SPE-186336-MS [1] Ortiz-Vidal  L  E,  Mureithi  N  W,  Rodriguez  O  M  H.  Vibration response  of  a  pipe  subjected  to  two-phase  flow:  analytical formulations and experiments. Nucl Eng Des, 2017, 313: 214 [2] Hara F. Two-phase-flow-induced vibrations in a horizontal pulping system. Bull JSME, 1977, 20（142）: 419 [3] [4] Cargnelutti  M  F,  Belfroid  S  P  C,  Schiferli  W.  Two-phase  flow- · 134 · 工程科学学报，第 43 卷，第 1 期